鋁合金鍛造技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

文／孫偉，王玲·江蘇龍城精鍛集團(tuán)有限公司

美女指數(shù)：★★★★★

遇見英雄：范蠡

遇見地點(diǎn)：土城山美女宮

必殺技：沉魚

上榜理由：憑借爆表的顏值，擊殺了群魚，覆滅了吳國(guó)。然后全身而退，與情郎瀟灑江湖

本文簡(jiǎn)述了當(dāng)前鋁合金鍛造技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和趨勢(shì)，詳細(xì)介紹了目前汽車上應(yīng)用比較廣泛的典型鋁鍛材料、產(chǎn)品及工藝流程，并對(duì)國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)汽車用鋁鍛產(chǎn)品的主要設(shè)備和相關(guān)企業(yè)進(jìn)行了總結(jié)和分析，為國(guó)內(nèi)鍛造企業(yè)和相關(guān)研發(fā)人員今后的研發(fā)方向提供參考。

應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢(shì)

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，全球汽車保有量逐年攀升，各種電動(dòng)汽車也不斷涌現(xiàn)，由此帶來(lái)的能源危機(jī)、大氣污染及氣候變暖問(wèn)題日益嚴(yán)重，各國(guó)政府對(duì)汽車排放的政策法規(guī)要求日趨嚴(yán)苛。無(wú)論對(duì)于燃油車還是電動(dòng)車，汽車輕量化都是有效提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段，其主要途徑之一就是采用輕質(zhì)金屬零件替代傳統(tǒng)鋼質(zhì)零件，從而降低燃油車的排放，提高電動(dòng)車電池的續(xù)航能力。

鋁合金密度小，其密度只有鋼的三分之一，同時(shí)導(dǎo)熱性能、加工性能和耐腐蝕性等都優(yōu)于鋼，典型的鋁合金材質(zhì)零件一次減重效果可達(dá)到30%～40%，二次減重效果可進(jìn)一步提高到50%。鋁合金材質(zhì)零件的主要生產(chǎn)工藝分為鑄造和鍛造，采用鑄造工藝生產(chǎn)的零件主要為殼體類和支撐類，例如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋、變速箱殼體、轉(zhuǎn)向器殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)托架、轉(zhuǎn)向器支架等；采用鍛造工藝生產(chǎn)的零件主要為力學(xué)性能要求較高的零件，例如車輪、底盤懸架系統(tǒng)控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、空調(diào)壓縮機(jī)渦旋盤等。

典型汽車用鋁鍛材料

用于汽車工業(yè)的鋁合金鍛造原材料一般采用擠壓或鑄造棒材(圖1)，其材料牌號(hào)一般來(lái)源于美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)公司(AA)注冊(cè)登記、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和各國(guó)制訂的變形鋁合金標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)的變形鋁合金牌號(hào)表示方法參照的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 16474-2011《變形鋁及鋁合金牌號(hào)表示方法》，此外相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)還有GB/T 3190-2020《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》、GB/T 33910-2017《汽車用鋁及鋁合金擠壓型材》。典型汽車鋁鍛零件用的材料牌號(hào)以6 系為主，如6060、6061、6066、6082 等，也有部分產(chǎn)品需要用到2 系、4 系、5 系和7 系的材料，如2014、4032、5754 和7075 等。

圖1 鋁合金鍛造用棒材

典型汽車用鋁鍛零件及成形工藝

整體式車輪

鋁合金整體式鍛造車輪(圖2)是基于汽車輕量化、高效節(jié)能需求而不斷發(fā)展起來(lái)的一類產(chǎn)品，一般采用6061 和6082 鋁合金制造，相比于傳統(tǒng)的鑄造車輪其組織性能更加優(yōu)越，重量輕、強(qiáng)度高且表面質(zhì)量好，但由于工藝復(fù)雜、設(shè)備投入大，導(dǎo)致其制造成本居高不下，只能在高端乘用車和商用車得到一定的應(yīng)用。

圖2 鋁鍛整體式車輪

整體式鍛造車輪的成形工藝根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景和批量不同一般選擇不同的工藝流程，目前市場(chǎng)上常用的成形工藝及其應(yīng)用情況如表1 所示。

表1 整體式鍛造車輪成形工藝類型及應(yīng)用情況

整體式鍛造車輪完成鍛造成形后通常需要熱處理、機(jī)加工及表面處理等鍛后處理，其中熱處理一般采用T6 熱處理工藝(固溶處理+人工時(shí)效)以提高車輪各部分的強(qiáng)度。

控制臂

汽車控制臂也叫擺臂(圖3)，是汽車底盤系統(tǒng)的重要零件，它的綜合力學(xué)性能對(duì)車輛的安全、操穩(wěn)等性能起著至關(guān)重要的作用，一般采用6082 鋁合金制造?？刂票鄯譃榍翱刂票酆拖驴刂票郏翱刂票凼菓壹艿南?qū)Ш椭?，其變形?huì)影響到車輪的定位，降低行車穩(wěn)定性；下控制臂主要是用來(lái)支撐車身、減振器并且緩沖行駛中的振動(dòng)。

圖3 典型鋁鍛控制臂

早期的控制臂多采用鑄鐵、鑄鋼或鋼板沖壓焊接制成，伴隨著材料加工技術(shù)的提高，鍛造鋁合金控制臂正逐步替代鋼制控制臂，并在國(guó)內(nèi)外中高檔車上實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用，如日系軒逸、逍客、奇駿，韓系朗動(dòng)，美系愛(ài)維歐、嘉年華，歐系的速騰、帕薩特等。

鋁合金控制臂的典型鍛造工藝一般包括下料、加熱、制坯、成形、切邊、熱處理和表面清理工序。其中制坯工序根據(jù)產(chǎn)品形狀結(jié)構(gòu)不同可采用輥鍛、斜橫軋等方式，部分產(chǎn)品還需要采用彎曲和預(yù)鍛以降低終鍛成形的難度。熱處理一般進(jìn)行固溶和時(shí)效處理以提高產(chǎn)品的力學(xué)性能，表面清理可采用拋丸或噴砂處理去除工件表面氧化皮并改善工件力學(xué)性能。

轉(zhuǎn)向節(jié)

轉(zhuǎn)向節(jié)(圖4)是汽車前橋總成及前懸架系統(tǒng)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，它連接前橋和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，不僅承載汽車全部重量，傳遞轉(zhuǎn)向動(dòng)力，還承擔(dān)著來(lái)自地面的沖擊和車輪側(cè)向制動(dòng)等產(chǎn)生的負(fù)荷，是汽車行駛中安全性的有力保證。轉(zhuǎn)向節(jié)在汽車底盤部件中屬于形狀復(fù)雜的保安件。

圖4 典型鋁鍛轉(zhuǎn)向節(jié)

鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造工藝一般包括下料、加熱、制坯、預(yù)鍛、終鍛、切邊、熱處理和表面清理工序。根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和成形難度不同，可進(jìn)行一次加熱或多次加熱，加熱工序可在制坯、預(yù)鍛和終鍛任一工序之前，熱處理一般也采用固溶和時(shí)效處理。寧波拓普汽車電子有限公司申請(qǐng)的中國(guó)專利(CN107955893A)公開了一種鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造成形方法，其工藝步驟為：⑴選擇鋁合金棒料為毛料，進(jìn)行切割；⑵將切割后的棒料加熱至510℃～530℃；⑶將加熱至510℃～530℃的棒料墩粗；⑷將鐓粗后的棒料二次加熱至510℃～530℃；⑸將二次加熱至510℃～530℃的棒料進(jìn)行模鍛；⑹模鍛結(jié)束后，將棒料冷卻；⑺將冷卻的棒料切邊；⑻將切邊后的棒料時(shí)效處理，時(shí)效處理的溫度為165℃～175℃；⑼取時(shí)效處理后的棒料檢驗(yàn)，取合格棒料包裝。

渦旋盤

汽車空調(diào)壓縮機(jī)發(fā)展過(guò)程經(jīng)歷了四代。第一代壓縮機(jī)為往復(fù)直立活塞式壓縮機(jī)，之后演變?yōu)榈诙北P式、搖板式和徑向輻射式壓縮機(jī)，進(jìn)而發(fā)展為第三代回旋式壓縮機(jī)，諸如旋葉式、滾動(dòng)活塞式、螺桿式和三角轉(zhuǎn)子式，現(xiàn)在第四代高效率的渦旋式壓縮機(jī)已經(jīng)開發(fā)有二十多年的歷史，并且實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)。渦旋盤(圖5)是渦旋壓縮機(jī)的關(guān)鍵構(gòu)件，有動(dòng)盤和靜盤之分，材質(zhì)一般為4032 鋁硅合金，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，性能要求高，目前國(guó)內(nèi)外一般采用一步或兩步背壓成形鍛造工藝生產(chǎn)，也有部分企業(yè)采用液態(tài)模鍛工藝生產(chǎn)。江蘇威鷹公司申請(qǐng)的中國(guó)專利(CN107186159A)公開了一種渦旋盤的典型生產(chǎn)工藝，其工藝步驟為：⑴下料；⑵制坯；⑶噴砂處理，將坯料放入履帶式拋丸機(jī)中噴砂處理，降低粗糙度Ra 值；⑷潤(rùn)滑和鍛擠成形，將坯料加熱到(220±10)℃，在坯料表面涂覆美國(guó)埃奇森公司生產(chǎn)的德爾他-144 高分子潤(rùn)滑劑，以防加熱時(shí)表面氧化，同時(shí)也為鍛擠成形起到潤(rùn)滑作用；然后將坯料加熱到(515±5)℃，坯料表面再次涂覆油性石墨后，放置入(220±10)℃的模腔內(nèi)，在3150t 液壓力的作用下擠壓坯料使其金屬流動(dòng)，完成一次性擠壓成形；⑸固溶及時(shí)效處理，將擠壓成形后的坯料固溶及時(shí)效處理，表面硬度為(120±5)HBS；⑹噴砂處理，將坯料放入履帶拋丸機(jī)中噴砂處理，去除表面氧化物；⑺清洗，去除表面雜質(zhì)。

圖5 典型鋁鍛渦旋盤

典型鋁鍛設(shè)備

汽車鋁鍛零件生產(chǎn)設(shè)備通常包括下料、加熱、成形和鍛后處理設(shè)備，其中成形設(shè)備最為關(guān)鍵，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)和成形目的不同可選擇輥鍛機(jī)、楔橫軋機(jī)、液壓機(jī)、機(jī)械壓力機(jī)、螺旋壓力機(jī)、輾鍛機(jī)和強(qiáng)力旋壓機(jī)等。

一方面由于鋁合金鍛造溫度范圍窄，不宜在模鍛設(shè)備上直接制坯，宜選擇輥鍛機(jī)(圖6)、楔橫軋機(jī)或輾鍛機(jī)(圖7)等進(jìn)行預(yù)制坯，以提高產(chǎn)品的材料利用率。另一方面由于鋁合金材質(zhì)對(duì)鍛造變形速度比較敏感，速度越快則加工硬化問(wèn)題越嚴(yán)重，變形抗力也會(huì)隨之增加，進(jìn)而導(dǎo)致可鍛性降低，而且由于熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致鍛件出現(xiàn)過(guò)熱或過(guò)燒問(wèn)題。因此對(duì)于大型鋁合金零件的鍛造首選成形速度比較慢的液壓機(jī)(圖8)，對(duì)于中小型鋁合金模鍛件，除液壓機(jī)外，常選用機(jī)械壓力機(jī)或螺旋壓力機(jī)，此外鋁合金車輪鍛造通常需要用到強(qiáng)力旋壓機(jī)。

圖6 輥鍛機(jī)

圖7 輾鍛機(jī)

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)汽車鋁鍛件的主要企業(yè)

目前，國(guó)內(nèi)具備汽車鋁鍛件生產(chǎn)能力的企業(yè)很多，大多以生產(chǎn)鋁鍛車輪為主要業(yè)務(wù)，其他鋁鍛件(不含車輪)的生產(chǎn)企業(yè)如表2 所示。

表2 主要汽車鋁鍛件(不含車輪)生產(chǎn)企業(yè)

結(jié)束語(yǔ)

鋁合金鍛造技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用正逐漸增多，但由于汽車鋁鍛件價(jià)格較高，主要應(yīng)用于高端車型，市場(chǎng)總需求量并不大，而且由于國(guó)際市場(chǎng)上掌握話語(yǔ)權(quán)的整車廠多為國(guó)外企業(yè)，進(jìn)入其供應(yīng)商體系比較困難，一直以來(lái)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)鋁合金鍛件的企業(yè)大多只能為售后市場(chǎng)提供產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量要求不高，缺乏持續(xù)提升鋁鍛技術(shù)的動(dòng)力。隨著汽車輕量化和電動(dòng)化的不斷發(fā)展，全球汽車廠商面臨越來(lái)越激烈的競(jìng)爭(zhēng)和成本壓力，越來(lái)越多的鋁鍛產(chǎn)品將直接在中國(guó)本土生產(chǎn)，給國(guó)內(nèi)具備鋁鍛件生產(chǎn)能力的企業(yè)提供了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。